本研究旨在利用高分辨率计算机断层扫描（HRCT）和MRI-Dixon数据融合构建包含椎体和脊神经模型的患者特异性腰椎三维打印模型。
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摘要
摘要
选择性脊神经后根切断术（SDR）是一种难度高、风险大且技术复杂的手术，其中椎板切除术不仅需要充分暴露手术视野，还必须保护患者的脊神经免受损伤。数字模型在SDR手术的术前规划和术中操作中发挥着重要作用，因为它们不仅有助于医生更熟悉手术部位的解剖结构，还能为手术机械臂提供精确的导航坐标。本研究旨在建立一种患者特异性的腰椎三维数字模型，用于SDR手术的规划、术中导航及培训。同时，还制造了三维打印模型，以在上述过程中实现更高效的操作。
传统的骨科数字模型几乎完全依赖于计算机断层扫描（CT）数据，而CT对软组织的敏感性较低。将CT提供的骨性结构与磁共振成像（MRI）提供的神经结构进行融合，是本研究中模型重建的关键环节。通过重建患者特异性的三维数字模型，可真实呈现手术区域的解剖形态，并准确显示结构间距离及区域分割情况，从而有效辅助选择性脊神经后根切断术（SDR）的术前规划与训练。3D打印模型采用透明骨性结构材料，使外科医生能够清晰辨别脊神经与手术节段椎板之间的相对关系，增强其对解剖结构的理解和空间感知能力。个体化三维数字模型及其精确呈现的脊神经与骨性结构之间的关系，使该方法成为SDR手术术前规划的理想选择。
引言
痉挛型脑性瘫痪影响超过半数的脑性瘫痪患儿1，可导致肌腱挛缩、骨骼发育异常以及活动能力下降，严重影响患儿的生活质量2。选择性脊神经后根切断术（SDR）作为治疗痉挛型脑性瘫痪的主要外科手段，已得到多个国家的充分验证和推荐3,4。然而，SDR手术过程复杂且风险较高，包括精确切除椎板、神经根的定位与分离以及神经纤维的切断等操作，对于刚开始在临床实践中接触SDR的年轻医生而言具有显著挑战性；此外，SDR的学习曲线非常陡峭。
在传统的骨科手术中，外科医生必须在脑中整合所有术前二维（2D）影像，并构建三维（3D）手术方案5。对于涉及复杂解剖结构和手术操作（如选择性脊神经后根切断术，SDR）的术前规划，这种方法尤其困难。随着医学影像和计算机技术的进步，可将计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等二维轴向图像处理为具有患者特异性解剖结构的三维虚拟模型6。通过更清晰的可视化，外科医生可分析这些处理后的信息，从而做出更详细的诊断，并制定针对患者病情的个性化手术规划和干预措施。近年来，多模态图像融合技术在骨科领域的应用逐渐受到关注7。该技术能....
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方案
所有数据均来自在北京东直门医院接受脊髓去传入术（SDR）治疗的临床患者。本研究方案遵循并经东直门医院研究伦理委员会批准。
注意：模型重建流程的完整示意图见图1。高分辨率计算机断层扫描（HRCT）数据与Dixon数据是建模的原始材料；随后，三维模型的创建包括图像配准与融合。最终的三维数字模型采用PolyJet技术进行打印，这是一种高精度的3D打印工艺，可使用多种材料制造表面光滑且精确的部件。为了准确描述椎体与脊神经之间的空间关系，采用了HRCT数据与Dixon图像序列。Dixon扫描能够实现水和脂肪的分离成像，其中Dixon水相图像序列可用于提取脊神经结构，而Dixon同相位图像序列可用于验证骨结构的配准效果。
图 1：实验方案....
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结果
基于脑瘫患儿腰椎CT/MRI图像融合数据，我们构建了一个包含腰椎及脊神经的代表性模型。采用高通滤波技术，从高分辨率CT（HRCT）中提取CT值范围为190–1,656的高信号，以实现手术区域腰椎骨性结构的重建。脊神经结构则通过MRI的Dixon-w序列高通滤波进行重建。通过刚性配准，获得腰椎结构与脊神经融合的数字模型及点云数据坐标，并将文件保存为立体光刻（STL）格式，用于数据测量及后续打印处理。STL数字模型文件被转换为VRML格式，以传输至Stratasys J55 Prime 3D打印机。为在选择性脊神经后根切断术（SDR）中主动展示手术区域的解剖结构，我们将骨骼部分使用透明树脂打印，其他结构则以不同颜色打印。该3D打印模型可在术前规划与培训过程中，向外科医生和患者清晰呈现SDR手术关键部位的空间关系。
所获得的个性化三维腰椎模型为脊髓神经松解术（SDR）的术前规划和训练提供了可能。使用不同颜色的染料对骨骼和神经等结构进行染色并加以区分。如图8所示，脊神经结构被染成黄色，相应手术区域内的L4和L5节段椎板分别用红色和.......
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讨论
本研究提供了一种针对脑瘫患者建立腰椎术前3D打印模型的工作流程，旨在促进选择性脊神经后根切断术（SDR）的术前规划，并基于患者特异性模型加强解剖学培训。研究目标是建立一种高度可靠的3D打印模型，准确展示患者的腰椎骨性结构及神经结构。通过在术前测量模型中椎板及脊神经的位置，可实现对椎板切除范围的精确规划，从而优化手术操作流程，并提升对SDR手术技术的掌握水平。
本研究探讨的主要关键步骤是CT序列与Dixon序列的融合。该融合依赖于CT数据与Dixon-in序列中存在相同的骨性结构，以及Dixon-in与Dixon-w数据位于同一坐标系的事实。这使得脊神经与椎体骨性结构的最终融合成为可能。第二个关键步骤是采用彩色透明打印技术制造三维数字模型。该打印技术能够清晰显示患者的解剖结构、椎板切除术的精确位置，以及椎间孔与神经根的相对位置。
近几十年来，许多外科团队已开发出多种选择性脊神经后根切断术（SDR）的创新技术8,9.......
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披露
本研究中的数字模型由共同作者 Fangliang Xing 重建。
致谢
本出版物得到了北京市自然科学基金（L192059）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| J55 Prime 3D打印机 | Stratasys | J55 Prime | 模型的制造 |
| MATLAB | MathWorks | 2022B | 计算与可视化 |
| Mimics | 玛特赛斯 | Mimics Research V20 | 模型格式转换 |
| 体积分割融合工具 | 智能熵 | VolumeFusion V1.0 | 北京智能熵科技 & Technology Co Ltd. CT/MRI 融合建模 |
参考文献
- Rosenbaum, P., et al. A report: the definition and classification of cerebral palsy April 2006. Developmental Medicine and Child Neurology. Supplement. 109, 8-14 (2007).
- Krigger, K. W. Cerebral palsy: an overview. American Family Physician
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重印与许可
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